1、离层分区注浆减沉技术在许疃煤矿应用探讨摘要：在绿色开采及科学采矿理念的指导下，结合许疃煤矿覆岩特征及“三下”压煤状况，提出对高采出率下减缓地表下沉技术的探索。运用数值模拟方法对离层区注浆减沉技术在许疃煤矿的使用进行了分析探讨。设计工作面长160m，关键层下岩层可达超充分采动状态；离层区充填体分担了部分覆岩载荷，分区煤柱应力集中明显减小；分区间跳采，因跳采出现的孤岛工作面待两侧离层区充填稳定后仍用离层区充填方法开采，数值模拟结果表明此方法可以有效减缓地表沉陷、提高资源开采率。关键词：充分采动 离层区充填 数值模拟Application of isolated section grouting t
2、echnology for overburden bed separation space in Xutuan coal mineAbstract:Under the guidance of concept of green mining and scientific mining,in connction of characteristic of Xutuan, exploring a way to reduce subsidence with a high recovery.Studid by numerical simulation.The length of woking face i
3、s 160m,rock statum under the key statum can be full mining;in terms of backfill shares some stress, coal pillar stress was significantly reduced.skip-mining amone isolated section,island mining face was mined after stability of both sides of gob. The numerical results show that this method can effec
4、tively reduce mining subsidence , increase the coal recovery.Keywords:full mining;grouting for bed separation space; numerical simulation1.开采沉陷控制的意义方法矿产资源是一个国家的工业尤其是重工业发展重要的物资基础。随着人类社会的发展，人们的生产、生活对矿产资源的需求量不断地增加，导致矿产资源的开采规模也不断增加，使得资源短缺问题也越来越凸现。在各种矿产资源中，煤炭在今后相当长的时期内仍然是我国最主要的能源之一。虽然我国煤炭资源量比较丰富，但开采条件多种多
5、样。压覆在建筑物下、铁路下和水体下的“三下”煤炭资源占有相当大的比例。另外，资源的大规模开采对矿山及其周围环境造成了严重破坏，这不仅威胁到人民的生命安全，也严重制约了矿区国民经济的发展。开采引起环境问题的发生大多与开采造成的岩层和地表移动有关。开采沉陷造成的矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水、农田减产或绝产、道路塌陷、裂缝、房屋变形破坏等，并成为我国耕地减少的重要原因，也是制约矿山生产的瓶颈之一。据统计，我国采煤塌陷土地的万吨塌陷率约为0.10.2 km2，按我国原煤产量推算，每年仅采煤行业导致的土地塌陷即达2.667万km2。开采“三下”压煤提高资源采出率同时为了减轻矿区塌陷对生态环境的破坏，
6、科研和技术人员必须发展先进的开采和利用技术。 解决煤矿开采沉陷最常用和可靠的方法就是在需要保护的建筑物下方留设一部分实体煤不采或暂时不采。该方法最大缺点是煤炭损失大，使地下采掘布置复杂化，并有可能导致应力集中，从而带来安全威胁。因此，需要研究、探索和采用相关技术措施以实现压煤开采（“三下”区、植被耕地区、生态脆弱区）。常用的措施主要有条带开采和充填开采。条带开采与传统充填开采都存在明显的不足之处，条带开采技术存在的主要问题是采出率低浪费大量煤炭资源；而传统的全部充填开采成本相对煤炭价格偏高，充填量大，充填材料来源受限，充填工艺不能适应煤矿高效开采要求。针对现有方法的不足，许家林教授提出了“覆岩
7、离层分区隔离注浆”及主动滤水技术，它综合离层充填与条带开采技术的优点，通过离层区充填置换或减小跳采而留设的分区煤柱宽度，从而达到有效减缓地面沉降和提高资源采出率的目的。2.覆岩离层分区注浆及分区煤柱条带充填技术覆岩离层注浆减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，从钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩,从而减缓覆岩移动往地表的传播。覆岩离层注浆充填与采空区充填的不同在于其充填区不在采空区而在上部岩层，充填工作不会干扰井下工作面的生产。自80年代后期抚顺矿务局在我国首次采用离层注浆减缓地表下沉的试验取得成功之后，此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的重视，先
8、后在新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿、开滦唐山煤矿等进行了离层注浆减缓地表沉降现场试验，取得了一定的成效，但大部分矿井实际减沉效果并不理想。成功应用离层注浆减沉技术，必须解决下列问题：离层注浆减沉的适用条件；离层注浆减沉钻孔布置原则；注浆工艺优化。关键层理论及其关于覆岩离层动态分布规律的研究结果为上述问题的解决提供了理论依据。确定覆岩中的关键层位置，掌握其离层与破断特征参数，是注浆减沉技术应用可行性分析、钻孔布置与注浆工艺设计及减沉效果评价的基础。研究表明，关键层初次破断前的离层区发育、离层量大，易于注浆充填；而一旦关键层初次破断后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前的25%33%(见图3
9、)，注浆难度增加。因此，离层注浆必须在主关键层临初次破断前进行。钻孔布置及最佳的注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初次破断。由于离层区充填为非固结充填材料，浆液浓度稀，关键层下离层随采面推进不断扩展，浆液随之向前流动，关键层初次破断前其下离层空间很难被充填满。因而，充填浆液不能对初次破断前的关键层进行支撑，因而不能阻止关键层的初次破断，从而影响后续离层注浆和注浆减沉效果。这是我国一些矿井离层注浆减沉试验未达到预想效果的主要原因之一。针对现有离层注浆工艺不能阻止关键层的初次破断问题，作者提出了“覆岩离层分区隔离充填法”，其基本原理是：按关键层初次破断所允许的极限跨距对采面进行分区，分区间采用跳采
10、的方式,使关键层下离层区在关键层初次破断前被分区隔离煤柱隔离成各自封闭的空间，确保各个分区隔离的离层区可以注满浆体,从而起到对关键层有效支撑作用。目前注浆材料中水的比重过大，浆体中的水仅起输灰作用，随着煤层不断开采和时间的推移，浆体中的水最终将大部分流失，最终对关键层起支撑作用的是灰体而非浆体。鉴于上述原因，进一步提出了“覆岩离层分区隔离注浆法”的主动滤水技术思路：与其让浆体中的水缓慢被动漏失，不如采取主动滤水措施，增加注灰量，提高对关键层的支撑能力。按分区内关键层下部岩层是否达到充分采动，有2类性质的分区：充分采动分区，分区内关键层下部岩层已达到充分采动；非充分采动分区，分区内主关键层下部岩
11、层未达到充分采动。对于充分采动分区，当分区隔离煤柱被采出，分区内关键层下部岩层将不会继续下沉，充填体对关键层继续起支撑作用。因而,对于充分采动分区，原则上不需在两分区间留设永久煤柱，可将因跳采而留设的两分区间隔离煤柱采出。而对于非充分采动分区，一旦分区隔离煤柱被采出，分区内关键层下部岩层将会继续下沉，导致原已对关键层起支撑作用的充填体脱离关键层，关键层下再次出现离层，从而导致关键层悬跨面积超出其初次破断的极限悬跨面积而发生破断。因此，对于非充分采动分区，必须在两分区间留设永久煤柱，因跳采而留设的两分区间隔离煤柱不能采出，实际上形成了离层注浆与条带开采两种方法相结合的综合减沉方案。此时,“离层区
12、充填体+关键层+永久分区隔离煤柱”形成共同承载体，离层区充填体分担部分覆岩载荷,减少了分区隔离煤柱上载荷,其载荷小于条带开采留设煤柱承受载荷。因而永久分区隔离煤柱宽度小于单纯条带开采留设煤柱宽度。离层区干灰充填量越多，充填体承担载荷越多，永久分区隔离煤柱宽度相对越小。显然，离层注浆减沉技术理想的适用条件应为：各分区内关键层下部岩层能达到充分采动，使得关键层初次破断前离层量达最大值。此时，要求关键层初次破断的极限跨距要大，即覆岩中要存在典型厚硬的关键层。反之，当覆岩关键层的初次破断距较小，分区宽度相应减小，从而导致关键层下岩层移动不充分，关键层下离层量较小，注浆量不大，此种条件是不适合采用离层注
13、浆减沉技术的。对于非充分采动分区煤柱，为进一步提高煤炭采出率，采用条带充填法置换开采。3.采煤方法3.1许疃煤矿压煤概况及煤层赋存条件许疃矿位于安徽省宿州市西南部，地处蒙城县板桥镇许疃乡境内。井田范围大部分是肥沃的耕地，并有村庄压煤。井田内地面标高平均25.5m。本井田煤系地层属石炭系、二迭系，主采煤层72煤层，煤层赋存深度-350-850m，平均厚度3m，倾角6.215，直接顶为平均厚度1.57m的块状泥岩，之上为4.84m的中细粒石英砂岩或砂质泥岩，在煤层上方130m有一层厚90m的坚硬砂岩，表土层厚度292.84368.10m，一般厚度320340m。在绿色开采及科学采矿理念的指导下，当
14、分区关键层下部岩层能达到充分采动，则采用覆岩离层分区注浆减沉技术，分区煤柱仍采用离层注浆开采；当分区关键层下部岩层不能达到充分采动，分区煤柱采用条带充填开采。许疃矿实现高开采率下地表无沉陷开采。基于梁模型的硬岩层破断距4为（1）（2）式中：a岩层破断距，m；h岩层厚度， m；岩层抗拉强度， MPa；q岩层承受载荷，3.48 MPa。计算得许疃矿主关键层初次破断距为193.7m。表1各岩层赋存特征及力学参数岩性厚度/m弹模/GPa泊松比体模/GPa剪模/GPa容重/t*m-3抗拉强度/MPa内摩擦角/内聚力/MPa表土层29010.290.790.3920.0250.01细砂岩90380.252
15、5.3315.202.794118块状或砂质泥岩1304.60.222.741.892.53254煤33.40.232.101.381.412.3183粗砂岩76.50.183.392.752.74304.5设计分带工作面长160m，运用UDEC3.10判断关键层下岩层能否达到充分采动状态。模型走向长度600 m,垂直高度520 m（见图2）。煤层为近水平煤层，厚3 m，距煤层130 m处有一层90 m厚的细砂岩，为本模型中覆岩主关键层。表土层厚290 m，直接赋存在主关键层上。模型中各岩层岩性、厚度以及力学参数如表1所示。图1关键层下岩层采动状态数值模拟模型图2条带采出后关键层下岩层下沉曲线从图2可以看到关键层下覆岩层已达充分采动状态。因此选用覆岩离层分区注浆减沉技术，分区煤柱仍采用离层注浆开采。3.2中央带区巷道布置设计带区分带工作面长160m，工作面间跳采。采用离层注浆充填及注浆主动滤水方法开采。间隔两分区采出后待中间分区煤体应力稳定后，沿空掘巷开采中间分区。带区巷道布置如图3所示。图3带区巷道布置平面图图4带区剖面及覆岩特征4.沉陷控制的数值模拟4.1条带应力应变模拟运用UDEC3.10进行模拟。模型走向长度600 m，垂直高度520 m（见图2
